(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状金属製の外装体の内部に、正極と、水素吸蔵合金を含む負極と、前記正極と前記負極との間に配されたセパレータとが、前記外装体の軸方向に沿って積層されている積層電池であって、
前記正極と前記負極と前記セパレータを前記外装体の軸方向に沿って貫通する、金属製で棒状部分を有する複数の集電体と、
前記正極および前記負極の少なくともいずれか一方が、前記外装体の内面に当接し、
前記集電体のいずれか１が、前記正極に当接し、他が前記負極に当接する、積層電池。
【請求項２】
前記外装体が、有底円筒状の、第１外装体および第２外装体を備えており、
前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第１外装体の軸方向に沿って貫通している第１集電体と、前記第１外装体とを備えた第１積層電池と、
前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第２外装体の軸方向に沿って貫通している第２集電体と、前記第２外装体とを備えた第２積層電池とを有していて、
前記第１外装体の開口部と前記第２外装体の開口部とを、絶縁部材を介して、対向させて接続した積層電池であって、
前記第２外装体の底部と第１集電体とが当接して、第２外装体が正極端子として機能し、
前記第１外装体の底部と第２集電体とが当接して、第１外装体が負極端子として機能する、請求項１に記載の積層電池。
【請求項３】
前記外装体の内面が熱伝導度の高い絶縁材で覆われており、
前記正極と前記負極が前記外装体に当接し、
前記正極に当接する前記集電体が正極端子として機能し、
前記負極に当接する前記集電体が負極端子として機能する、請求項１に記載の積層電池。
【請求項４】
前記負極の充電容量が前記正極の充電容量より小さい請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項５】
請求項２に記載の積層電池を複数接続してなる電池システムであって、
複数の当該積層電池が、対向して設けられた集電板の間に配置されていて、一方の前記集電板に前記積層電池の第１外装体が当接して、前記第１外装体と前記集電板とが電気的に接続され、他方の前記集電板に前記積層電池の第２外装体が当接して前記第２外装体と前記集電板とが電気的に接続されている積層電池システム。
【請求項６】
前記集電板に平行な方向の冷却空気を送る手段を設けた請求項５に記載の積層電池システム。
【請求項７】
熱伝導度の高い絶縁材からなる筒状の外装体の内部に、
正極と、水素吸蔵合金を含む負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータを備えた電極体が、前記外装体の軸方向に複数積層されていて、かつ、
隣接する前記電極体の間に金属製の隔壁が設けられていて、前記正極と前記負極の外縁部が前記外装体の内面に当接している積層電池。
【請求項８】
前記外装体が蓋付有底の円筒である請求項７に記載の積層電池。
【請求項９】
前記負極の充電容量が前記正極の充電容量より小さい請求項７または８のいずれか一項に記載の積層電池。
【請求項１０】
初期活性化後に、別途用意した酸素ガス供給源から外装体の内部に酸素ガスを供給して、負極に吸蔵された水素と反応させることにより前記外装体の内部圧力の低減を図った請求項１〜３、７、８のいずれか一項に記載の積層電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池の冷却構造に関し、詳しくは、電池における冷却性能の向上を図った積層電池および積層電池システム関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池には、円筒型電池、角型電池など種々の形状の電池が開発され広く使用されている。そして、比較的小容量の電池には、耐圧性や封口の容易さの点から円筒型が採用され、比較的大容量の電池には、取扱いの容易性から角型が採用されている。
【０００３】
また蓄電池の電極構造に着目すれば、大別して、積層タイプと捲回タイプの２つのタイプが広く使用されている。すなわち積層タイプの電池は、正極と負極がセパレータを介して交互に積層されてなる電極群が電池ケースに収納されている。積層タイプの電池の多くは角型の電池ケースを有している。一方捲回タイプの電池は、正極と負極がセパレータを挟みつつ渦巻状に巻き取られた状態で電池ケースに収納されている。捲回タイプの電池ケースは円筒型のものもあるし角型のものもある。
【０００４】
特許文献１および特許文献２に、円筒型捲回電池に関する技術が開示されている。すなわち、図１において、蓄電池１は、電池ケース２内に配置された正極３、負極４、セパレータ５および電解液を主な構成要素としている。そして電池ケース２は、上部に開口部２ａを有する概ね円筒状の容器であり、その底面部が負極端子にとなっている。帯状の正極３と負極４とはセパレータ５を挟みつつ渦巻き状に巻き取られた状態で電池ケース２内に収納されている。また、電池ケースの開口部２ａは、電池ケース２内に電解液が注入された状態で、封口板７により液密に封鎖されている。なお、封口板７の上面に設けたキャップ６が正極端子となる。正極端子は図示しないリード線により正極３に接続されている。
【０００５】
蓄電池の冷却構造については種々の方法が提案されている。その多くは、蓄電池を複数個組み合わせてモジュール化した組電池に関するものである。これは蓄電池をモジュール化して大容量化すると、蓄電池の温度上昇が問題となるからである。組電池の冷却構造については、組電池を収納した容器の表面に突起を設けて冷却空気の流れに乱れを生じさせて放熱をよくする方法（例えば、特許文献３）、隣り合う組電池の間に穴開きの金属製の冷却板を介在させて冷却空気の通路を設ける方法（例えば、特許文献３、４）もしくは収納容器の外部に突出する冷却フィンを設ける方法（例えば、特許文献５）等が提案されている。
【０００６】
特許文献６には、正極と負極の間にセパレータを介在させた角型積層電池ユニットにおいて、当該電池ユニットの間に冷却板を設けて、その冷却板に冷媒の流路を設けてなる電池ユニット積層体の冷却構造が開示されている。
特許文献７には、シート状のヒートシンクを正極と負極に配して、セパレータと共に捲回してなる円筒型捲回電池の発明が開示されている。
【０００７】
アルカリ蓄電池（例えば、ニッケル水素電池）においては、一般的に、あらかじめ負極の充電容量を正極の充電容量よりも大きく設定しておくことで、密閉化を可能にしている。この、負極における正極の充電容量を上回る分を、充電リザーブと呼ぶ（例えば、非特許文献１の１９頁）。満充電の状態からさらに充電が行われる過充電時には、正極において下記（１）の反応により酸素ガスが発生する。
ＯＨ-→１／４Ｏ2＋ １／２Ｈ2Ｏ＋ ｅ-  （１）
【０００８】
正極で発生した酸素ガスは、下記（２）の反応により負極の水素吸蔵合金（Ｍ）中の水素と反応してＨ2Ｏとなるので、電池内部の圧力上昇が抑えられ、電池を密閉構造とすることができる。ここに、Ｍは水素吸蔵合金である。
ＭＨ ＋ １／４Ｏ2  →Ｍ  ＋  １／２Ｈ2Ｏ （２）
【０００９】
一方、放電時においても正極規制となるように、負極に予め多目の放電容量（つまり水素）を設けておく。これを放電リザーブと呼ぶ（例えば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−１９８０４４号公報
【特許文献２】特開２００４−１０３３５０号公報
【特許文献３】特開２００９−０１６２８５号公報
【特許文献４】特開２００３−００７３５５号公報
【特許文献５】特開２００１−１４３７６９号公報
【特許文献６】国際公開２００８／０９９６０９号公報
【特許文献７】特開平１１−１４４７７１号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】田村英雄監修  「電子とイオンの機能化学シリーズVol.１  ニッケル水素二次電池のすべて」エヌ・ティー・エス発行  ２００５年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
電池の構成要素のひとつであるセパレータは、正極と負極の短絡を防止し、電解液を保持して正極と負極間のイオン伝導を行う役割を有し、電池にとって重要なパーツであるところ、ポリアミド繊維またはポリオレフィン繊維等の合成繊維の不織布を素材として採用しているので、正極や負極（以下、総称して電極という）の電極と比べてその熱伝導度は小さく、熱を伝え難い。
【００１３】
図１に示す捲回電池の冷却構造に言及すれば、電池内部で発生した熱は電池ケースから放熱される必要がある。しかし、捲回電池は電極とセパレータが多重に積層されている。多層に重ねられたセパレータを経て良好に熱伝達を行うことは困難である。図２は、電池表面（ケース）から中心部に向けての電池内部の温度勾配の状況を説明するための模式図である。図２によれば、円筒型捲回電池においてケースおよび電極は熱伝導度が高いので大きな温度勾配は生じないが、セパレータは熱伝導度が低いので大きな温度勾配を生じる。このため、中心部に行くほど高温となっていることがわかる。
【００１４】
すなわち、捲回電池の電池ケースの表面温度は周囲温度に近いものの、中心部分の温度は高く、特に充放電状態においてはかなり高温となる。電池ケースの外側を冷却しても、電池内部は必要な程度に冷却されず高温となる。電極は温度が高くなると動作しなくなる。一般に、蓄電池に使用されている水素吸蔵合金においては（例えば、ミッシュメタル合金あるいはランタン・ニッケル合金など）、６０℃以上になると充電しなくなる。
【００１５】
電池の冷却方法として、電池ケースの表面に突起を設けて熱の放散を良くする方法（例えば、特許文献３）、組電池の間に穴開きの金属板を設けて冷却空気を流して冷却する方法（例えば、特許文献３，４）もしくは冷却フィンを設ける方法（例えば、特許文献５）が提案されているが、これらはいずれも電池ケースの表面を冷却するのには有効であるが、セパレータによる温度勾配が存在するので、捲回電池においては効果的な冷却方法ということができない。
【００１６】
ヒートシンクを電極と共に捲回する方法（例えば、特許文献７）や、冷却水が流れるパイプを電池内部に収納する方法が提案されている。これらの方法は、電池ケースの表面を冷却するよりは効果的な冷却方法といえるかもしれないが、冷却のためのスペースを必要とし、電池寸法が大きくなり、体積当りの電気容量が低下する。
【００１７】
一般にアルカリ蓄電池においては、密閉化を行うために正極規制を採用しており、正極に比べて多くの負極を必要としている。例えば、ニッケル水素電池の負極には、レアメタルである水素吸蔵合金が使用されており、高価であるとともに原料の安定供給の問題もある。負極のコストは、電極全体の８０％を占めるといわれており、負極の電池価格に及ぼす影響は大きい。
【００１８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、電池内部の温度上昇を抑制するとともに、冷却のために電池内に余分なスペースを必要としないことを解決すべき課題としている。さらには、電池価格に大きな影響を及ぼす負極のコストを低減させることにより、電池価格の低減を図る。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記した目的を達成するために、本発明に係る積層電池は、筒状金属製の外装体の内部に、正極と、水素吸蔵合金を含む負極と、前記正極と前記負極との間に配されたセパレータとが、前記外装体の軸方向に沿って積層されている積層電池であって、前記正極と前記負極と前記セパレータを前記外装体の軸方向に沿って貫通する、金属製で棒状部分を有する複数の集電体と、前記正極および前記負極の少なくともいずれか一方が、前記外装体の内面に当接し、前記集電体のいずれか１が、前記正極に当接し、他が前記負極に当接する。また、
本発明に係る積層電池は、前記外装体が、有底円筒状の、第１外装体および第２外装体を備えており、前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第１外装体の軸方向に沿って貫通している第１集電体と、前記第１外装体とを備えた第１積層電池と、前記正極、前記負極および前記セパレータを、前記第２外装体の軸方向に沿って貫通している第２集電体と、前記第２外装体とを備えた第２積層電池とを有していて、前記第１外装体の開口部と前記第２外装体の開口部とを、絶縁部材を介して、対向させて接続した積層電池であって、前記第２外装体の底部と第１集電体とが当接して、第２外装体が正極端子として機能し、前記第１外装体の底部と第２集電体とが当接して、第１外装体が負極端子として機能する。
【００２０】
この構成によれば、セパレータは電解液を保持していて、正負極間の絶縁を図るとともに、イオンの透過を可能にしている。外装体は金属でできており、外装体に接触している方の電極の端子として機能する。正負極およびセパレータは、好ましくはシート状に形成されている。外装体は中空であって、各電極は外装体の軸方向に積層されて外装体内部に収納されている。電極が外装体の内面に接触しているので、電極で発生する熱は、直接外装体に伝えられる。途中に熱の不良導体を介さないので温度勾配は小さい。
捲回電池の温度勾配が大きいのは、外装体と電極の間に幾重もの熱を伝え難いセパレータが介在しているのと、その構造上大きな力で捲回することができないので電極間の熱の移動を大きくすることができないからである。
【００２１】
捲回電池の総括熱伝達係数（Ｕ1）は、後述するように、数１で示される。一方、本発明に係る積層電池の総括熱伝達係数（Ｕ2）は、数２で示される。両者を比較すると、捲回数ｎの項において大きな差が生じることが分かる。具体的な数値を代入しての説明は、実施形態で詳述するが、捲回電池の捲回数ｎが大きいほど、総括熱伝達係数は小さくなる。
【００２２】
以上のように、本発明に係る積層電池の温度勾配は小さく、積層電池の中心部における温度上昇を小さくすることができる。このため電池内部に冷媒を流すためのパイプ等を設ける必要がないのでコンパクトな構造で温度上昇を抑えることができる。更には、外装体の冷却は比較的容易に行うことができるので、効果的に電池内部の温度上昇を抑えることが可能となる。
【００２３】
更に、この構成によれば、前記正極と前記負極と前記セパレータにはそれぞれ２つの穴が設けられていて、第１積層電池の正極は、第２集電体に接続されていて、負極は第１集電体に接続されている。また、第２積層電池の正極は、第２集電体に接続され、負極は第１集電体に接続されている。これにより、第１集電体が負極端子として機能し、第２集電体が正極端子として機能する。
【００２４】
本発明に係る積層電池は、前記外装体の内側が熱伝導度の高い絶縁材で覆われており、前記正極と前記負極が前記外装体に当接し、前記正極に当接する前記集電体が正極端子として機能し、前記負極に当接する前記集電体が負極端子として機能する。
この構成によれば、外装体が熱伝導度の高い絶縁材であることが好ましい。また、外装体の内方に熱伝導度の高い絶縁材を有していて、鉄等の構造材をその外方に有していてもよい。熱伝導度の高い絶縁材としては、アルミナ、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスが上げられる。これらセラミックスは良好な絶縁性と絶縁耐力（約１００Ｖ／ｍｍ）、高い熱伝導率（約７ｘ１０−３ｃａｌ／ｃｍ／ｓｅｃ・℃）、大きな機械的強度（ロックウエル硬度５０以上）を有している。熱伝導度の高い絶縁材として、ダイヤモンドであってもよい。構造材としては鉄の他にチタンやカーボンやアルミであってもよい。ここに、高い導電性とは、少なくとも２ｘ１０−３ｃａｌ／ｃｍ／ｓｅｃ・℃以上であることが好ましい。
【００２５】
本発明に係る積層電池は、前記負極の充電容量が前記正極の充電容量より小さいことが好ましい（請求項４）。当該積層電池は、いわゆる負極規制となっている。ここに、各充電容量は、単に、正極容量もしくは負極容量と称されることがある。
ここに、正極容量および負極容量は電気容量のことであり、アンペアアワー（Ａｈ）単位で表される。この構成によれば、従来の蓄電池が正極規制であるところ、本発明に係る積層電池は、負極に含まれる水素吸蔵合金の量が前記正極に含まれる正極活物質の量より少ない負極規制となっている。
【００２６】
したがって、充電が進んだ状態では、正極が満充電になる前に、負極が満充電になる。充電を継続すれば負極は過充電になり、負極から水素ガスが発生する。過充電時に負極から水素ガスが発生する反応を反応式（３）に示す。
Ｈ+  ＋ｅ- →    １／２Ｈ2  （３）
【００２７】
本発明に係る積層電池は、発生した水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵室を備えていることが好ましい。あるいは、水素ガスは積層電池内の電極やセパレータに蓄積されてもよい。蓄積もしくは貯蔵された水素ガスは負極に吸蔵されて、放電に際して有効に使用される。なお、保存された水素ガスが外部に漏れないように外装体は密閉構造となっている。
【００２８】
このようにして外装体の内部に蓄積された水素ガスは、積層電池の放電に際して負極の水素吸蔵合金に吸蔵されて放電のエネルギー源となる。放電の際の反応を反応式を（４）に示す。
負極    １／２Ｈ2  →    Ｈ+  ＋ ｅ-
正極    ＮｉＯＯＨ＋ｅ-＋Ｈ+    →  Ｎｉ（ＯＨ）2 （４）
全体    ＮｉＯＯＨ＋１／２Ｈ2    →  Ｎｉ（ＯＨ）2
【００２９】
ニッケル水素電池において、負極は電極価格の８０％を占めるといわれており、高価である。ランタン等のレアメタルは地球上において偏在して、入手が難しくなるといわれている。通常の正極規制の蓄電池が正極の１．５倍から２倍の負極の量を必要とする。しかし、本発明によれば、高価な負極の量を減らすことが可能になり安価な積層電池を得ることができる。過充電により蓄えられた水素ガスを放電の際に利用することができるので、負極の量を減らしても電池容量が低下することはない。
【００３０】
本発明に係る積層電池システムは、複数の当該積層電池が、対向して設けられた集電板の間に配置されていて、一方の前記集電板に前記積層電池の第１外装体が当接して、前記第１外装体と前記集電板とが電気的に接続され、他方の前記集電板に前記積層電池の第２外装体が当接して前記第２外装体と前記集電板とが電気的に接続されている（請求項５）。そして、前記集電板に平行な方向の冷却空気を送る手段を設けられている（請求項６）。
この構成によれば、集電板が電池システムの構造材になると共に、積層電池を電気的に接続する部材になり、かつ、放熱板として作用する。集電板に送風機等から冷却空気を送れば、積層電池の冷却に効果的である。
【００３１】
本発明に係る積層電池は、熱伝導度の高い絶縁材からなる筒状の外装体の内部に、  正極と、水素吸蔵合金を含む負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータから構成された電極体が、前記外装体の軸方向に複数積層されていて、かつ、隣接する前記電極体の間に金属製の隔壁が設けられていて、前記正極と前記負極の外縁部が前記外装体の内面に当接している（請求項７）。また本発明に係る積層電池は、前記外装体が蓋付有底の円筒であることが好ましい（請求項８）。
この構成によれば、外装体全体が熱伝導度の高い絶縁材であってもよい。また、外装体が熱伝導度の高い絶縁材を内方に有し、鉄等の構造材を外方に有する二重構造であってもよい。熱伝導度の高い絶縁材としては、アルミナ、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスが上げられる。ダイヤモンドであってもよい。構造材としては鉄の他にチタンやカーボンやアルミであってもよい。
また、正極および負極の外方寸法は外装体の内方寸法より大きく作られており、正極と負極は共に外装体の密に接触しているので、正極および負極で発生した熱は高い熱伝達率で外装体に伝えられ、積層電池内部の温度上昇を抑制することが可能となる。このような事情は、請求項１に係る課題を解決する手段のところで説明したのと同様である。
隔壁は、正極と負極とセパレータから構成される電極の間に配置されている。金属製の隔壁は電子は通すがイオンは通さない。よって、正負極の積層数に応じて、積層電池の出力電圧は高くなる。
【００３２】
本発明に係る積層電池は、前記負極の充電容量が前記正極の充電容量より小さいことが好ましい（請求項９）。当該電池は負極規制であるので、正極が満充電になる前に、負極が満充電になり、充電を継続すれば負極から水素ガスが発生する。
【００３３】
初期活性化後に、別途用意した酸素ガス供給源から前記外装体の内部に酸素ガスを供給して、前記負極に吸蔵された水素と反応させることにより前記外装体の内部圧力の低減を図ることが好ましい（請求項１０）。
この構成によれば、初期活性化後の積層電池に酸素ガスを供給すれば、積層電池内の空気はパージされて酸素ガスで充填される。酸素ガスは積層電池の負極に吸蔵されている水素と反応して水になる。この結果、密閉構造を有する外装体の内部は負圧となり、外装体の側壁が少し内方に変形して、電極との接触がよくなる。強く接触すれば、熱伝達がよくなるし、電気抵抗も小さくなる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明は、冷却のために余分なスペースを必要とせずに、電池内部の温度上昇を抑制することを可能にする。さらには、電池価格に大きな影響を及ぼす負極の量を減らすことにより、電池価格の低減を図ることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】円筒型積層電池の一部を破断した概略斜視図である。
【図２】円筒型捲回電池の温度勾配の状況を模式的に示す図である。
【図３】第一実施形態に係る円筒型積層電池を示す概略構成図である。（ａ）は軸方向断面図であり、（ｂ）は正極、負極の平面図である。
【図４】第一実施形態に係る円筒型積層電池を用いた電池システムの概略構成図である。（ａ）は組電池を構成した場合の構成を説明する図であり、（ｂ）は組電池を構成するための放熱板の平面図である。
【図５】第一実施形態に係る円筒型積層電池の変形例を示す概略構成図である。
【図６】第二実施形態に係る積層電池の概略構成図であり、軸方向断面を示す図である。
【図７】積層電池に酸素ガスを充填する場合の機器構成を説明する図である。
【図８】積層電池の温度上昇試験の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態の説明にあたり、説明の都合上ニッケル水素電池について述べるが、蓄電池のタイプはこれに限定されるものでなく、リチウムイオン電池、亜鉛マンガン電池、ニッケル鉄電池、ニッケルカドミウム等の蓄電池であってもよい。
本発明の各実施形態について説明するのに先立ち、全ての実施形態に共通する電極の作り方について説明を行う。
＜電極の製造について＞
【００４０】
負極は、ニッケル水素二次電池（以下、単にニッケル水素電池という）で一般的に用いられているランタン・ニッケルのような水素吸蔵合金を主要な物質として含んでいる。正極の活物質としては、ニッケル水素電池で一般的に用いられているものであればよく、特に限定されない。負極と正極との間にセパレータとともに介在させる電解液としては、ニッケル水素電池で一般的に用いられているアルカリ系水溶液、例えば、ＫＯＨ水溶液、ＮａＯＨ水溶液、ＬｉＯＨ水溶液などを用いることができる。
【００４１】
負極としては、例えば、水素吸蔵合金、導電性フィラー、および樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを、基板上に塗布して板状に成形し硬化させたものを使用することができる。同様に、正極としては、正極活物質、導電性フィラー、および樹脂に溶剤を加えてペースト状にしたものを、基板上に塗布して板状に成形し硬化させたものを使用することができる。
【００４２】
導電性フィラーとしては、炭素繊維、炭素繊維にニッケルメッキを施したもの、炭素粒子、炭素粒子にニッケルメッキを施したもの、有機繊維にニッケルメッキを施したもの、繊維状ニッケル、ニッケル粒子、ニッケル箔のいずれかを単独で、または組み合わせて用いることができる。樹脂としては、軟化温度１２０℃までの熱可塑性樹脂、硬化温度が常温から１２０℃までの樹脂、１２０℃以下の温度で溶剤に溶解する樹脂、水に可溶な溶剤に溶解する樹脂、アルコールに可溶な溶剤に溶解する樹脂などを用いることができる。基板としては、ニッケル板のような電気伝導性のある金属板を用いることができる。
【００４３】
セパレータは、イオン（Ｈ+）を透過させるが電子を透過させない素材を使用している。セパレータを形成する素材としては、例えば、ポリエチレン繊維やポリプロピレン繊維などのポリオレフィン系繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリフルオロエチレン系繊維、ポリアミド系繊維などを使用することができる。セパレータには電解液が保持されている。
＜第一実施形態＞
【００４４】
図３に本発明の第一実施形態に係る円筒型積層電池（以下、単に積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図３に示す積層電池４１は、外装体４５と集電体４７と外装体内部に収納される電極体４３を主な構成要素として備えた２つの電池４１−１、４１−２を、絶縁体からなる接続ピース４４を介して接続してなる電池である。
【００４５】
第１電池４１−１および第２電池４１−２において、外装体４５−１、４５−２は、鉄製の有底の円筒で構成されている。導電性を有しておれば、鉄以外の金属であってもよい。
【００４６】
電極体４３−１、４３−２は、正極活物質を含む正極４３−１ａ、４３−２ａと、水素吸蔵合金を含む負極４３−１ｂ、４３−２ｂと、正極４３−１ａ、４３−２ａと負極４３−１ｂ、４３−２ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ４３−１ｃ、４３−２ｃから構成されている。そして、電極体４３−１は、第１外装体４５−１の軸方向（図３のＸ方向）に積層して第１外装体４５−１の内方に収納されており、電極体４３−２は、第２外装体４５−２の軸方向（図３のＸ方向）に積層して第２外装体４５−２の内方に収納されている。正極４３−１ａ、４３−２ａ、負極４３−１ｂ、４３−２ｂ、セパレータ４３−１ｃ、４３−２ｃはいずれも２つの穴の開いた、円盤状の形状を有している。
【００４７】
集電体４７−１、４７−２は、鉄にニッケルメッキを施した導電性の材料でできており、棒状の軸部４７−１ａ、４７−２ａと軸部４７−１ａ、４７−２ａの一端に取付けられた止め部４７−１ｂ、４７−２ｂとを有している。集電体の軸部４７−１ａ、４７−２ａは、それぞれ、電極体４３−１、４３−１を、外装体４５−１，４５−２の軸方向（図３のＸ方向）に貫通している。
【００４８】
第１電池４１−１において、正極４３−１ａの外径は外装体４５−１の内径よりも小さく、正極の外縁部４３−１ａｃと外装体の内面４５−１ａは接触していない（図３（ｂ）参照）。一方、負極４３−１ｂの外径は外装体４５−１の内径より大きく、負極の外縁部４３−１ｂｃは外装体４５−１の内面４５−１ａと接触している。負極４３−１ｂは、外装体４５−１に電気的に接続されている。
【００４９】
正極４３−１ａに設けた一方の穴４３−１ａｂの径は、軸部４７−１ａの外径より小さく、正極の穴４３−１ａｂの周縁部は軸部４７−１ａと接触している。正極４３−１ａと第１集電体４７−１は、電気的に接続されている。一方、正極４３−１ａに設けた他方の穴４３−１ａａの径は、軸部４７−２ａの外径より大きく、正極の穴４３−１ａａの周縁部は軸部４７−２ａと接触していない。正極４３−１ａと第２集電体４７−２は、電気的に絶縁されている。
【００５０】
そして、負極４３−１ｂに設けた一方の穴４３−１ｂｂの径は、軸部４７−２ａの外径より小さく、負極の穴４３−１ｂｂの周縁部は軸部４７−２ａと接触している。負極４３−１ｂと第２集電体４７−２は、電気的に接続されている。一方、負極４３−１ｂに設けた他方の穴４３−１ｂａの径は、軸部４７−１ａの外径より大きく、負極の穴４３−１ｂａの周縁部は軸部４７−１ａと接触していない。負極４３−１ｂと第１集電体４７−１は、電気的に絶縁されている。
【００５１】
第２電池４１−２において、正極４３−２ａの外径は外装体４５−２の内径よりも大きく、正極の外縁部４３−２ａｃは外装体４５−２の内面４５−２ａと接触している。正極４３−２ａは、外装体４５−２に電気的に接続されている。一方、負極４３−２ｂの外径は外装体４５−２の内径より小さく、負極の外縁部４３−２ｂｃと外装体の内面４５−２ａは接触していない。
【００５２】
正極４３−２ａに設けた一方の穴４３−２ａａの径は、軸部４７−１ａの外径より小さく、正極の穴４３−２ａａの周縁部は軸部４７−１ａと接触している。正極４３−２ａと第１集電体４７−１は、電気的に接続されている。一方、正極４３−２ａに設けた他方の穴４３−２ａｂの径は、軸部４７−２ａの外径より大きく、正極の穴４３−２ａｂの周縁部は軸部４７−２ａと接触していない。正極４３−２ａと第２集電体４７−２は、電気的に絶縁されている。
【００５３】
そして、負極４３−２ｂに設けた一方の穴４３−２ｂａの径は、軸部４７−２ａの外径より小さく、負極の穴４３−２ｂａの周縁部は軸部４７−２ａと接触している。負極４３−２ｂと第２集電体４７−２は、電気的に接続されている。一方、負極４３−２ｂに設けた他方の穴４３−２ｂｂの径は、軸部４７−１ａの外径より大きく、負極の穴４３−２ｂｂの周縁部は軸部４７−１ａと接触していない。負極４３−２ｂと第１集電体４７−１は、電気的に絶縁されている。
【００５４】
第１外装体４５−１と第２集電体の止め部４７−２ｂが外装体４５−１の底部において接触している。また、第２外装体４５−２と第１集電体の止め部４７−１ｂが外装体４５−２の底部において接触している。第１外装体４５−１と第２集電体４７−２は負極に接触しており、負極端子として機能しうる。また、第２外装体４５−２と第２集電体４７−２は正極に接触しており、正極端子として機能しうる。
以上より、積層電池４１において、第１外装体４５−１が負極端子となり、第２外装体４５−２が正極端子となる。
【００５５】
以上述べたように、本発明は、２つの電池４１−１、４１−２において、接続ピース４４を境にして、電極４３−１ａ、４３−２ａ、４３−１ｂ、４３−２ｂの外径寸法と穴の寸法を入れ替えることにより、積層された電極体を共通に使用していることを特徴としている。
【００５６】
図４（ａ）に積層電池４１を用いて組電池を構成した場合の接続図を示す。鋼板にニッケルメッキを施した放熱板４９（図４（ｂ）参照）に、積層電池４１の外装体４５−１、４５−２を取付ける穴４９ａを設ける。すなわち、対向する一方の放熱板の穴４９ａに外装体４５−１を取り付け、対向する他方の放熱板の穴４９Ａには異なる極性を有する外装体４５−２を取付ける。同じ極性を有する放熱板４９を図示せぬケーブルで接続して電池システムを構成する。積層電池４１で発生した熱は放熱板４９に伝えられて、別途設けた送風機４９ｂからの冷却風で冷却されることとなる。また、放熱板は積層電池４１の直並列接続の導電体としても作用する。
＜変形例＞
【００５７】
図５に本発明の第一実施形態の変形例に係る積層電池の軸方向の概略断面図を示す。図３と共通する部分は、特に明記しない場合は同じ符号を付したものとして説明する。外装体４５は、熱伝導度の高い絶縁材４６を内方に有し、鉄等の構造材からなる円筒缶４２を外方に有する二重構造となっている。すなわち、円筒缶４２の内面４２ａに、アルミナよりなるセラミックス層（絶縁体４６）がプラズマ溶射により形成されている。絶縁体４６は熱伝導度の高い材料でできているので、電極体４３−１，４３−２で発生した熱は小さな温度勾配で円筒缶４２に伝えられるので、積層電池４１'の内部の温度上昇を抑制することが可能となる。絶縁体４６は、熱伝導度の高く絶縁性を有したものであればよく、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスやダイヤモンドであってもよい。
【００５８】
電極体４３は、絶縁体４６で覆われているので、図３に示したような接続ピース４４は必要としない。集電体の止め部４７−１ｂ、４７−２ｂに軸部４７−１ａ、４７−２ａの反対側に突出する端子部４７−１ｃ、４７−２ｃを設けて、これら端子部４７−１ｃ、４７−２ｃを外装体４５に設けた絶縁材からなる軸受４８−１、４８−２を介して積層電池４１'の外方に取り出して、正極端子および負極端子とした。
＜第二実施形態＞
【００５９】
図６に本発明の第二実施形態に係る円筒型積層電池（以下、単に積層電池という）の軸方向の概略断面図を示す。図６に示す積層電池５１は、外装体５５と外装体内部に収納された集電端子５７と電極体５３を主な構成要素として備えている。外装体５５は、有底の円筒缶５２と、円筒缶内面５２ａに配置された絶縁体５９と、円筒缶５２の開口部５２ｃに取付けられた円盤状の蓋部材５６とから構成されている。円筒缶５２と蓋部材５６は鉄でできているが、鉄の他にチタンやカーボンやアルミ等であってもよい。蓋部材５６の外径は円筒缶５２の開口部５２ｃの内径より少し大きく、蓋部材５６は電極体５３収納後に円筒缶開口部５２ｃにおいて絞まり嵌めされている。
【００６０】
電極体５３は、正極活物質を含む正極５３ａと、水素吸蔵合金を含む負極５３ｂと、正極５３ａと負極５３ｂの間に介在してイオンは透過するが電子を透過させないセパレータ５３ｃから構成されている。なお、電解液（図示せず）は、セパレータ５３ｃに保持されている。係る電極体５３が、円筒缶５２の軸方向（図６のＸ方向）に積層され、外装体５５の内方に収納されている。ここに、隣接する電極体５３の間には、一方の電極体の正極５３ａと隣接する電極体の負極５３を挟む形で、鉄にニッケルメッキを施した隔壁５４が介在している。隔壁５４は金属であるので電子（電気）は通すがイオンは通さないので、隣接する電極体５３は電気的に互いに直列に接続されることになる。積層電池５１の出力電圧は、電極体５３の積層数により定まる。本実施形態において、１つの電極体５３からなる単位電池の端子電圧は１．２Ｖであり、本実施形態に係る積層電池５１は、５０個の単位電池を積層してなるので、その出力電圧は６０Ｖとなる。
【００６１】
集電端子５７は、円盤状に形成された板部５７ｂと、板部５７ｂの中央から棒状に突出した軸部５７ａを有している。外装体５５の内部であって、集電端子の板部５７ｂが対向する形で配置された空間に、複数の電極体５３と隔壁５４とが、積層されて挿入されている。そして、軸部５７ｂは、それぞれ蓋部材５６中央および円筒缶底部５２ｂの中央に設けた穴５８ａ、５８ｂを貫通して、積層電池５１の外方に突き出していて、それぞれ正極端子５７ｃａおよび負極端子５７ｃｂとして機能する。軸部５７ａが貫通す貫通する穴５８ａ、５８ｂには軸受５８が装着されている。軸受５８は絶縁性材料でできており、軸部５７ｂが外装体５５と接触して電気的に短絡するのを防止する。集電端子５７は、鉄にニッケルメッキを施した導電性の材料でできており、ニッケルメッキを施すことにより、集電端子５７がセパレータ５３ｃに含まれる電解液により腐食されるのを防止する。
【００６２】
隔壁５４、正極５３ａ、負極５３ｂ、セパレータ５３ｃはいずれも円盤状の形状を有しており、正極５３ａおよび負極５３ｂの外径は外装体５５の内径よりも大きく、電極体５３の外縁部５３ａａ、５３ｂａは外装体５５の内面５５ａに圧力を持って接触している。好ましくは、正極５３ａおよび負極５３ｂの外径は外装体５５の内径よりも１００μｍ大きい。
【００６３】
円筒缶５２の内面５２ａに、アルミナよりなるセラミックス層をプラズマ溶射により絶縁体５９を形成させた。絶縁体５９は、正極５３ａと負極５３ｂとが電気的に短絡するのを防止している。絶縁体５９は熱伝導度の高い材料でできているので、電極５３ａ、５３ｂで発生した熱は小さな温度勾配で円筒缶５２に伝えられるので、積層電池内部の温度上昇を抑制することが可能となる。絶縁体５９は、熱伝導度の高く絶縁性を有したものであればよく、チタニア、アルミナ・チタニア等のセラミックスが上げられる。これらは良好な絶縁性と絶縁耐力（約１００Ｖ／ｍｍ）、高い熱伝導率（約７ｘ１０−３ｃａｌ／ｃｍ／ｓｅｃ・℃）、大きな機械的強度（ロックウエル硬度５０以上）を有している。絶縁体５９を形成するこれらセラミックス層は、プラズマ溶射法をもちいて加工した。絶縁体５９は熱伝導度の高い絶縁材であればよく、ダイヤモンドであってもよい。
【００６４】
＜共通する実施形態＞
以上に説明した、第一および第二実施形態に共通する実施態様について、まとめて以下に説明する。図７は、本発明に係る積層電池に酸素ガスを充填する場合の機器構成を説明する図である。積層電池１２１には、酸素ガスの注入の受け口となる接続口１２３が設けられていて、配管１２４ａの先端に取り付けられたニップル１２５が気密に接続可能となっている。一方、酸素ガスが充填されている酸素ボンベ１２７は配管１２４ｂを介してバルブ１２２の一方の接続口に接続されていて、バルブ１２２の他方の接続口には配管１２４ａが接続されている。配管１２４ｂには圧力計１２６が設けられていて、酸素ガスの圧力が監視可能となっている。
バルブ１２２を開くことにより、酸素ボンベ１２５からの酸素ガスは配管１２４を経由して、初期活性化後の積層電池１２１に供給される。供給された酸素ガスは、積層電池内の空気をパージして、積層電池１２１は酸素ガスで充填される。酸素ガスは積層電池１２１の負極に吸蔵されている水素と反応して水になる。この結果、密閉構造を有する積層電池１２１の内部は負圧となり、積層電池の外装体１２８の側壁１２８ａが少し内方に変形して、外装体１２０の内部に収納された電極体１２９との接触がよくなる。強く接触すれば、熱伝達がよくなるし、電気抵抗も小さくなる。
【００６５】
次に第一実施形態の作用および効果について説明する。なお、冷却構造については、第二、第三および第四実施形態についても共通する事項であり、負極規制については、第二実施形態に共通する事項である。
＜冷却構造について＞
負極４３−１ｂおよび正極４３−２ａの外方寸法（円の場合は外径）は外装体４５の内方寸法（円筒の場合は内径）より大きいので、負極の外縁部４３−１ｂｃおよび正極の外縁４３−２ｂｃは、それぞれ、外装体の内面４５−１ａ、４５−２ａに強く押し当てられ、密に接触している。正極４３−１ｂおよび負極４３−２ａで発生した熱は直接外装体４５に伝えられる。また、正極４３−１ａおよび負極４３−２ｂで発生した熱は、それぞれ、セパレータ４３−１ｃ、４３−２ｃを介して負極４３−１ｂおよび正極４３−２ａに伝えられる。セパレータは熱を伝えにくいが、薄く、１枚のみであるので、熱の伝導に大きな妨げとならない。以上のようにして、電極４３−１ａ，１ｂ、２ａ、２ｂで発生した熱は小さな温度勾配で外装体４５に伝えられる。
【００６６】
これにより、簡単な構造で電池内部の温度上昇を抑えることができる。更には、外装体４５は外部に露出しているので冷却は比較的容易に行うことができ、従来の捲回電池に比べて、効果的に温度上昇を抑えることが可能となる。ここで、本発明の実施形態に係る積層電池と従来型の捲回電池の温度上昇の相違を計算例で示す。
捲回電池の総括熱伝達係数（Ｕ1）は、数１で示されるところ、本発明に係る積層電池の総括熱伝達係数（Ｕ2）は、数２で示される。
【００６７】
【数１】
0005531220.tif 000002
【００６８】
【数２】
0005531220.tif 000003
ここで、１８６５０型電池を例に取り計算してみる。捲回電池の諸元は、
【００６９】
t = 0.5mm , t+ = t- = ts = 10μm , k = k+ = k- = 40Wm-2 deg-1
h0 = 100 Wm-2 deg-1 , h1 = 1 Wm-2 deg-1 , ks = 1 Wm-2 deg-1 , n = 9/0.03 = 300
となり、これらの値を数１に代入して、U1   =  0.0011  Wm-2 deg-1を得る。
一方、本実施形態に係る積層電池の諸元は、
【００７０】
h0 = 100 Wm-2 deg-1  , t = 0.5mm  , k  =  40Wm-2 deg-1
h1 = 10000 Wm-2 deg-1  , t* = 0.009m ,  k* = 40Wm-2 deg-1
であるので、これらの値を数２に代入して、U2   =  100  Wm-2 deg-1を得る。
両者を比較すると、本発明に係る冷却構造は、従来の捲回電池比べて１０万倍近く熱伝達に優れているといえる。
【００７１】
＜負極規制について＞
従来の二次電池は正極規制であり、負極の充電容量（Ａｈ）は、正極の１．７倍となっている。一方、本発明の実施形態に係る積層電池において、負極の充電容量は正極の８０％となっている。
【００７２】
ここで正極の電気容量を１０００ｍＡｈとして話をすると、正極規制のタイプの電池は、１０００ｍＡｈ以上充電すると正極から酸素ガスが発生するが、負極から水素ガスが発生することはない。正極から発生した酸素ガスは負極に吸蔵されている水素と反応して水になるので圧力上昇が抑制され密閉化が可能となっている。
【００７３】
一方、負極規制のタイプの電池は、過充電状態になれば、負極から水素ガスが発生する。すなわち、８００ｍＡｈ以上充電すれば負極から水素ガスが発生する（（３）の反応式参照）。この発生した水素ガスは負極に吸蔵されるが、負極に吸蔵されない水素ガスは電池内部に蓄えられて電池内部の圧力が上昇する。電池内部に水素ガス貯蔵室があれば、水素ガスは電池内に多く蓄積される。積層電池の外装体４５は密閉構造となっているので、蓄積された水素ガスが外部に漏れることはない。
【００７４】
積層電池の放電に際して、負極に吸蔵合金されている水素が水素イオンと電子を放出するが、積層電池内に蓄積された水素ガスが水素吸蔵合金に吸蔵され、負極の満充電状態が続く（放電の際の反応式（４）参照）。水素ガスは放電に際して負極を充電するので無駄になることはない。水素吸蔵合金はいわば触媒的な作用をするので、充放電において負極の体積変化は小さく、負極の劣化を防ぎ、高寿命化が可能となる。
【００７５】
負極は電極価格の８０％を占めるといわれており、高価である。本発明によれば、正極規制の電池が正極の１．７倍の負極を必要とするところ、負極の量を正極の８０％とすることにより、電極の価格は１／２にすることが可能となる。負極の量を減らしても、過充電により蓄えられた水素ガスを利用することにより電池容量が低下することはない。
【００８９】
＜試験結果＞
本発明の実施例１に係る積層電池を、０．５Ｃ〜８Ｃで充電を行い、満充電後に積層電池の内部温度と表面温度を調べた。温度計測は、電池内部温度については集電体に熱電対を取付けて計測し、電池表面温度は積層電池の外装体の表面の温度を熱電対で計測した。環境条件は、室温が１５℃で、ファンで１ｍ／ｓの送風した状態とした。
【００９０】
表２に、各充電レート（０．５Ｃ、１Ｃ、２Ｃ、５Ｃ、８Ｃ）でＳＯＣが１００％となるよう充電した後の、電池温度と室温の差の最大値を示す。すなわち、表２の左側の欄は電池表面温度と室温の差で最も大きかった値であり、右側の欄が電池内部温度と室温と差で最も大きかった値である。いずれの充電レートにおいても、２Ｃ以下の充電レートにおいては、電池の表面と室温の温度差および電池の中心と室温の温度差は５℃未満であり、８Ｃ充電においては、それら温度差が３０℃未満であった。
【００９１】
【表２】
0005531220.tif 000004
【００９２】
図８に各充電レートで充電後の電池内部温度と室温の差をグラフにしたものを示す。２Ｃ以下の充電レートでは、電池内部と室温との温度差の上昇は４℃以下であり、非常に小さい。これは、充電に伴う発熱と同時に放熱しているため、電池に蓄熱が行われなかったためと思われる。
【００９３】
５Ｃ充電と８Ｃ充電においては、電池内部と室温との温度差が認められる。しかし、わずか２０分足らずで、電池内部と室温との温度差は５℃未満となり、放熱性に優れていることがわかる。
この試験結果から、本発明の第一実施形態に係る積層電池は電池内の熱伝導度が大きく、充電により温度が上昇しても、すぐに温度が下がることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明に係る積層電池は、産業用のみならず民生用の蓄電装置としてとして好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００９５】
１  蓄電池
２  電池ケース
３  正極
４  負極
５  セパレータ
６  キャップ
７  封口板
４１  円筒型積層電池
４２  円筒缶
４３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
４４  接続ピース
４５  外装体
４６  絶縁体
４７  集電体
４８  軸受
４９  放熱板
５１  円筒型積層電池
５２  円筒缶（ａ：側部内面）
５３  電極体（ａ：正極、ｂ：負極、ｃ：セパレータ）
５４  隔壁
５５  外装体
５６  蓋部材
５７  集電端子
５８  軸受
５９  絶縁体
１２１  積層電池
１２２  バルブ
１２３  接続口
１２４  配管
１２５  ニップル
１２６  圧力計
１２７  酸素ボンベ
１２８  外装体
１２９  電極体
【図１】
0005531220.tif 000005
【図２】
0005531220.tif 000006
【図３】
0005531220.tif 000007
【図４】
0005531220.tif 000008
【図５】
0005531220.tif 000009
【図６】
0005531220.tif 000010
【図７】
0005531220.tif 000011
【図８】
0005531220.tif 000012